技术|20年攻克三大技术难关,潘建伟团队解说“九章”量子计算机

新华社合肥12月4日消息 , 在一个特定赛道上 , 200秒的“量子算力” , 相当于目前“最强超算”6亿年的计算能力!12月4日 , 《科学》杂志公布了中国“九章”的重大突破 。
这台由中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等学者研制的76个光子的量子计算原型机 , 推动全球量子计算的前沿研究达到一个新高度 。 尽管距离实际应用仍有漫漫长路 , 但成功实现了“量子计算优越性”的里程碑式突破 。
“九章”优胜在何处?里程碑式跨越如何实现?“算力革命”走向何方?采访人员就这些问题采访了潘建伟团队 。
算力新高度 , 技术三优势
“量子优越性”——横亘在量子计算研究之路上的第一道难关 。
这是一个科学术语:作为新生事物的量子计算机 , 一旦在某个问题上的计算能力超过了最强的传统计算机 , 就证明了量子计算机的优越性 , 跨过了未来多方面超越传统计算机的门槛 。
多年来 , 国际学界一直高度关注、期待这个里程碑式转折点到来 。
去年9月 , 美国谷歌公司宣布研制出53个量子比特的计算机“悬铃木” , 对一个数学问题的计算只需200秒 , 而当时世界最快的超级计算机“顶峰”需要2天 , 因此他们在全球首次实现了“量子优越性” 。
近期 , 中科大潘建伟团队与中科院上海微系统与信息技术研究所、国家并行计算机工程技术研究中心合作 , 成功构建76个光子的量子计算原型机“九章” 。
“取名‘九章’ , 是为了纪念中国古代著名数学专著《九章算术》 。 ”潘建伟说 。
实验显示 , “九章”对经典数学算法高斯玻色取样的计算速度 , 比目前世界最快的超算“富岳”快一百万亿倍 , 从而在全球第二个实现了“量子优越性” 。
高斯玻色取样是一个计算概率分布的算法 , 可用于编码和求解多种问题 。 当求解5000万个样本的高斯玻色取样问题时 , “九章”需200秒 , 而目前世界上最快的超级计算机“富岳”需6亿年;当求解100亿个样本时 , “九章”需10小时 , “富岳”需1200亿年 。
潘建伟团队表示 , 相比“悬铃木” , “九章”有三大优势:一是速度更快 。 虽然算的不是同一个数学问题 , 但与最快的超算等效比较 , “九章”比“悬铃木”快100亿倍 。 二是环境适应性 。 “悬铃木”需要零下273.12摄氏度的运行环境 , 而“九章”除了探测部分需要零下269.12摄氏度的环境外 , 其他部分可以在室温下运行 。 三是弥补了技术漏洞 。 “悬铃木”只有在小样本的情况下快于超算 , “九章”在小样本和大样本上均快于超算 。
“打个比方 , 就是谷歌的机器短跑可以跑赢超算 , 长跑跑不赢;我们的机器短跑和长跑都能跑赢 。 ”他们说 。
20年努力攻克三大技术难关
对于“九章”的突破 , 《科学》杂志审稿人评价这是“一个最先进的实验”“一个重大成就” 。
多位国际知名专家也给予高度评价 。 “这是量子领域的重大突破 , 朝着研制比传统计算机更有优势的量子设备迈出一大步!我相信成果背后付出了巨大的努力 。 ”德国马克斯·普朗克研究所所长伊格纳西奥·西拉克说 。
美国麻省理工学院教授德克·英格伦认为 , 这是“一项了不起的成就”“一个划时代的成果” 。
加拿大卡尔加里大学量子研究所所长巴里·桑德斯说 , 毫无疑问 , 这个实验结果远远超出了传统机器的模拟能力 。
据了解 , 潘建伟团队这次突破历经了20年努力 , 从2001年开始组建实验室 , 他们曾多次刷新量子纠缠数量的世界纪录 。 “九章”的突破 , 主要攻克了三大技术难关:高品质量子光源、高精度锁相技术、规模化干涉技术 。
其中的高品质量子光源 , 是目前国际上唯一同时具备高效率、高全同性、高亮度和大规模扩展能力的量子光源 。 “比如说 , 我们每次喝下一口水很容易 , 但要每次喝下一个水分子非常困难 。 ”中科大教授陆朝阳说 , 高品质光源要保证每次只“放出”1个光子 , 且每个光子要一模一样 , 这是巨大挑战 。 同时 , 锁相精度要控制在10的负9次方以内 , 相当于传输一百公里距离 , 偏差不能超过一根头发丝的直径 。
此外 , 为了核验“九章”算得“准不准” , 他们用超算同步验证 。 “10个、20个光子的时候 , 结果都能对得上 , 到40个光子的时候超算就比较吃力了 , 而‘九章’一直算到了76个光子 。 ”陆朝阳说 , 另一方面 , 超算的耗电量太大 , 计算40个光子时需要电费200万元 , 41个光子需要400万元 , 42个光子需要800万元 , 推算下去将是天文数字 。
“算力革命”跃马人类未来
当前 , 量子计算已成为全球各国竞相角逐的焦点 。 比如近期 , 欧盟宣布拟投资80亿欧元 , 研究量子计算等新一代算力技术 。
“量子计算机在原理上具有超快的并行计算能力 , 可望通过特定算法在密码破译、大数据优化、天气预报、材料设计、药物分析等领域 , 提供比传统计算机更强的算力支持 。 ”潘建伟说 。
据了解 , 国际主流观点认为 , 量子计算机的发展将有三个阶段:
第一阶段 , 研制50个到100个量子比特的专用量子计算机 , 实现“量子优越性”里程碑式突破 。
第二阶段 , 研制可操纵数百个量子比特的量子模拟机 , 解决一些超级计算机无法胜任、具有重大实用价值的问题 , 比如量子化学、新材料设计、优化算法等 。
【技术|20年攻克三大技术难关,潘建伟团队解说“九章”量子计算机】第三阶段 , 大幅提高量子比特的操纵精度、集成数量和容错能力 , 研制可编程的通用量子计算原型机 。
目前 , “九章”还处在第一阶段 , 但在图论、机器学习、量子化学等领域具有潜在应用价值 。
潘建伟团队表示 , “量子优越性”实验并非一蹴而就的工作 , 而是更快的经典算法和不断提升的量子计算硬件之间的竞争 , 但最终量子计算机会产生传统计算机无法企及的算力 。 下一步 , 他们将在光子、超导、冷原子等多条技术线路上推进研究 。
“我对量子计算的前景非常乐观 , 世界上有很多聪明人在做这件事 , 包括我的中国同事们 。 ”奥地利科学院院长、美国科学院院士安东·塞林格预测 , 很有可能有朝一日量子计算机会被广泛推广 , “每个人都可以使用” 。
(原题为《里程碑式突破!——潘建伟团队解说“九章”量子计算机》)
(本文来自澎湃新闻 , 更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)

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